奥秘奇闻书,古希腊人从阳光里发现太阳的奥秘

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1、奥秘奇闻书

奥秘奇闻书

今天为大家解读的书是《上下百亿年》，副标题是：太阳的故事。太阳已经在这个宇宙中存在了46亿年，它还将继续燃烧50多亿年，这就是书名《上下百亿年》的由来。光看书名的话，你或许会以为这是一本讲恒星演变的科普书。实际上，这本书讲的是人类如何一步步破解有关太阳的谜团。说是太阳的故事，其实是一个人类探索太阳的故事。在人类文明中，出现过无数关于太阳的传说，比如夸父追日、后羿射日等。对于太阳，我们实在太熟悉了，每天都能看到他东升西落。但同时太阳又是如此神秘，有关他的很多谜团困扰了人类几千年。

太阳是由什么组成的？跟地球一样吗？它为什么能一直发光发热呢？太阳会熄灭吗？想必你心中也或多或少浮现过诸如此类的问题。《上下百亿年》这本书就能解答这些疑问。本书作者卢昌海是美国哥伦比亚大学物理系博士，出版过多部天文物理方面的科普书籍。今天的解读将围绕三个具有代表性的主题展开，分别是太阳的位置、太阳的组成以及太阳的能量来源。对这三个问题的研究，不仅展示了人类探索太阳的历程，更能集中体现科学探索的思维特点。我们可以跟随科学家们的视角，重新审视太阳，解开这颗巨大光球的层层谜团。

首先咱们聊聊太阳的位置。看到头顶上有这么一个大火球，咱们老祖先第一个关于太阳的问题可能就是这家伙离我们有多远？古希腊时期就有学者想通过视差法来估算日地距离。那什么是视差法呢？这个视是视觉的视，差是差别的差。这是一种测量物体远近的间接方法，也就是从两个不同的观测点来观测物体，然后利用观测到的角度差异来推算他的远近。那时候，人们已经知道了月亮的阴晴圆缺是因为阳光从不同角度照射月亮导致的。当月亮是上弦月时，地球到月亮的视线方向与阳光照射月亮的方向正好垂直，太阳、地球、月亮构成了一个直角三角形的三个顶点。

此时，只要借助简单的三角函数就能算出各边的相对长度。借用这个方法，古希腊学者阿里斯塔克斯计算出太阳比月球远19倍，由此推算出日地距离是750万公里。他的方法是正确的，但这个计算结果并不正确，因为它的观测全凭肉眼，存在很大误差。到了18世纪，科学家同样利用视差法来计算日地距离，只不过这次利用的是金星。天文学上有一种叫做金星凌日的现象，每隔一段时间，金星就会运动到太阳和地球之间，此时从地球上观察，金星会像一个黑点掠过太阳的盘面。不同地点看到的金星划过日面的状况是不同的，通过汇总多个地点的观测结果，经过一定的换算。天文学家最终计算出太阳与地球的距离是1.5亿公里。有了绝对距离，再聊一下相对位置，到底是太阳绕着地球转，还是地球绕着太阳转，这是一个困扰了人类几千年的问题。现在我们都知道，哥白尼提出日心说，推翻了地心说，让天文学得到了极大的发展。但是地心说真的那么不堪吗？为什么这个理论能主导人类社会2000年？而且早在古希腊时期就有人提出过太阳是宇宙中心，为什么人们把日心说的功劳归功于哥白尼呢？

带着这些疑问，我们再来聊聊地心说与日心说的发展历程。从睁眼看世界开始，人类就能轻易地发现，天上的日月星辰总是东升西落，咱们的祖先也就自然而然的认为天体都在围绕地球转动。古希腊时期哲学家柏拉图更是提出了所有天体都是球体，而且他们在绕着地球做匀速圆周运动。按照他的哲学思想，宇宙的运行规律应该是完美的，而球体无疑是最符合这一特点的。这就是地心说的雏形。不过随着天文观测的积累，人们发现很多行星的运行似乎并没有达到柏拉图所说的完美，他们运动的速度时快时慢，有些行星，比如火星甚至会发生逆行。但人们对柏拉图的学说仍然十分信任。学者们开始思考的问题就变成了如何用均匀有序的运动来描述看起来不规则的情形轨迹。

在这个问题上，柏拉图的学生欧多克斯给出了一个答案。那就是设计出更多的运行轨道。欧多克斯认为，每个天体的运行轨迹其实是由多个同心球的匀速转动结合而成。为了将观测数据套用到柏拉图的完美轨道学说中，欧多克斯在天体的模型中一共描绘了27层轨道，并巧妙地设计了这些轨道的转轴及快慢。他的这番努力，让行星逆行等很多现象都得到了粗略的解释。对于一位生活在公元前400年的人来说，这无疑是极为难得的。欧多克斯将古希腊理性发挥到了极致，构建起了地心说的初步模型。当然这套体系还是有很多缺陷，比如行星逆行时幅度时大时小，无法靠简单地增添轨道来协调，直到500年后生于埃及的学者托勒密才解决了这个问题。托勒密最大的贡献在于它摒弃了柏拉图与欧多克斯的完美运动模型，他认为地球并不是在行星轨道的圆心，而是偏离了一定距离。通过大量的观测以及精密的模型构建，托勒密的地心说模型可以实现很高的精度，甚至能准确预测日食和月食。在随后的1000多年时间里，这个模型都是导航、测绘及星图计算的基础。所以对于那个年代的人来说，地心说是科学的。

从古希腊到17世纪，在差不多2000年的时间里，地心说的统治地位一直没有被动摇。这其中宗教扮演着重要角色。中古时期的欧洲，基督教的权利甚至高过国王。教会牢牢把控着人们的思想，而地心说又十分符合基督教的世界观。在圣经中就有多处暗指大地是静止不动的，太阳和月亮绕着大地起落。因此教会成了地心说最强有力的支持者，任何挑战地心说的人都会被视为对教会权威的挑战。在这个意义上，地心说已经超脱了科学的范畴，反而成了禁锢科学发展的枷锁。即便地心说一手遮天，但这个体系中仍然有很多无法解释的现象。首当其冲的问题就是，太阳比地球大很多，凭什么要围着地球转？还是那位估算日地距离的阿里斯塔克斯，他就估算过太阳直径是地球的七倍。当然，他的数据还是不准，依据现代的测量，太阳的直径是地球的109倍。虽然离准确值相差甚远，但至少人们已经确认了太阳比地球大很多。那么问题来了，一个庞大的太阳有什么理由要绕一个小不点儿转呢？

心中怀着这个疑问，阿里斯塔克斯凭自己的直觉提出了太阳才是宇宙中心，这也是最早的日心说。他的日心说并未引起什么反响，因为在当时，这个理论只不过是一种猜测。除了不能解释太阳凭什么绕地球运动，地心说所面对的另一个问题是模型过于庞杂。为了让地心说符合观测，托勒密引入了很复杂的几何解释，比如给天体设计了所谓的本轮和均轮等运行规则。随着新的天体数据不断涌现，人们又对托勒密的理论修修补补，以至于这套体系越来越繁琐。正是在这种背景下，波兰天文学家哥白尼着手撰写起天体运行论。哥白尼很早就接触到了阿里斯塔克斯的学说，他心中也有了太阳是宇宙中心这个念头。与阿里斯塔克斯不同的是，哥白尼还有着扎实的观测数据。而且哥白尼发现，如果将太阳提升到了宇宙的中心，可以将复杂的托勒密体系大大简化，让天体的运行规则变得简洁优雅。不过因为忌惮教会的权力，哥白尼的著作撰写的小心翼翼，整本书写了23年，手稿又在抽屉里放了13年，直到快去世时，哥白尼才将它拿出来发表，并说要把这本书献给教皇。

天体运行论的出版者序言里提到，日心说仅仅是一个便于计算的假设，不一定是真实的。经过这样粉饰包装，天体运行论终于顺利出版了，一个有理有据的日心说体系正式浮出水面。虽然哥白尼的日心说很粗糙，精度甚至还不如地心说，但它的意义不只在于科学层面。如果将地心说比喻成一块儿蒙在人们头顶的巨大黑布，日心说就如同一把剪刀，在这块儿黑布上剪开了个口子，让阳光照了进来。很多人开始相信并传播日心说，并重新审视人类在宇宙中的位置，这大大动摇了宗教的思想控制。教会当然大力反扑，将日心说的捍卫者判为异端，甚至将他们活活烧死。日心说与地心说的剧烈对抗并没有持续很久，因为越来越多的证据开始倒向日心说。

意大利物理学家伽利略自制了天文望远镜，发现了更多地心说无法解释的天文现象。开普勒将行星轨道由圆变为椭圆，极大提高了日心说的精准度。在众多学者的共同完善与推动下，日心说最终取代了地心说。虽然地心说败下阵来，被历史所淘汰，但欧多克斯、托勒密等人的努力也同样闪耀着理性的光辉。地心说真正被人诟病之处在于教会的力量扭曲了科学精神，强制将地心说当作唯一的真理，这极大地阻碍了科学的发展。在地心说与日心说的行程中，体现了科学思维最本质的特点，那就是在观察现象的基础上，提出自己对自然规律的理解，并通过后续证据验证自己的理论。在这个过程中观察更全面，模型更准确，证据更充分的一方就更接近真理。

学者们花了2000年的时间终于弄清楚太阳在哪里。接下来，他们就想解答一些与太阳本质更相关的问题，比如太阳是由什么组成的。对于这个问题，古时候人们有一些盲目地猜测。从能够发光发热这个最直接的角度出发，他们认为太阳可能是巨大的木炭，也可能是炙热的铁水，显然这些都不太靠谱。为了研究太阳的成分，首先必须克服一个显而易见的困难，那就是它离我们实在太远了。太阳距离地球有1.5亿公里，即使是最快的光速也要花八分20秒才能走完这个距离。而且太阳也实在太热了，它的表面温度高达5500摄氏度，可以让任何已知的物质气化。

我们不可能到太阳上去钻个孔，采集一些样本来分析化验。1835年，法国哲学家孔德就曾预言，人类永远也不可能了解太阳和星星的化学组成。幸好虽然太阳又远又热，但它却源源不断地把一样东西送到地球，那就是阳光。太阳的成分之谜，答案就藏在阳光之中。为了分析阳光的奥秘，光靠肉眼观察是不够的，科学家们需要借助一些更为先进的物理手段。为此我们还要从一位科学泰斗说起，那就是牛顿。在17世纪60年代中期，牛顿做了很多光学实验，其中最有名的一组是关于光的色散。具体来说，就是让阳光从一个小孔射入屋内，然后经过一个三棱镜，最后投射到一块屏幕上，形成一个色彩缤纷的椭圆影像。牛顿敏锐地意识到，这个现象揭示了一个阳光的重要性质，那就是阳光是由不同颜色的单色光组合而成的。用现在的科学语言来描述，光能发生色散，是因为不同颜色的光具有不同波长，他们在三棱镜中的折射率不同，每种光的偏折角度也不同，最终成为彩虹一样的光谱。

牛顿的这一发现虽然比较粗糙，但却也开辟了人类探索宇宙的一个全新领域，那就是光谱分析。光谱的意义不只是画彩虹这么简单，其中可是暗藏玄机。1802年一位名叫沃拉斯顿的英国化学家重新做了一次牛顿的实验，不过她用了狭缝取代了牛顿的小孔。所谓的狭缝就是一条很窄的缝隙，与小孔相比狭缝可以通过的阳光更多。在沃拉斯顿的实践中，他发现了一个前人不曾注意的细节，在彩色光谱中存在几条很细的暗线。这些暗线是什么呢？沃拉斯顿猜测他们是不同颜色之间的分界线，他所观察到的暗线只有几条儿。当时人们描述光谱的颜色其实也只有红、黄、绿、蓝等寥寥几种，两者之间的确存在粗略的匹配关系。不过我们剧透一下，沃拉斯顿把暗线的来源搞错了，是因为他并没有看到暗线的全貌。对这些暗线更细致的研究来自于德国学者弗朗和费。弗朗和费的祖上是玻璃工匠，他本人对光学仪器的制造驾轻就熟。1814年，弗朗和费设计了一款质量更好，分辨率更高的光谱仪。通过这台精心设计的光谱仪，弗朗和费也看到了暗线，不过他看到的暗线有几百条之多。得到这个结果后，弗朗和费有点儿不敢相信，他怀疑其是不是自己的仪器出了问题。于是他用这个光谱仪观察其他光源，光谱中并没有出现同样的暗线，也就是说暗线并不是仪器造成的。经过不断的检测，他还发现这些暗线虽然看上去复杂繁琐，但每一条却都有着固定的位置。最终他确定了这些暗线就是阳光本身的特征。但这些案件具体意味着什么呢？弗朗和费却蒙了。不止弗朗和费整个学界都懵了。

这几百条的暗线如同一道栅栏，封锁了光谱学的前进之路，直到40多年后两位德国人的出现才破解了岸线之谜。这二位学者就是本生与基尔霍夫，他们是好友，都在海德堡大学任职。本生是个化学家，在一次实验中，他把各种颜的粉末靠近火焰，观察到不同的盐会发出不同的光。比如灼烧含有元素钾的岩石火焰会被变成紫色儿，加热钠岩石火焰则是黄色。本生打算将这个现象发展成一种辨认化学元素的新手段，这个思路很棒。不过本生用来观测火焰颜色的设备只有一些滤波片精度很差。这时基尔霍夫就给他出主意，建议他试试弗朗和费发明的光谱仪。本生采纳了这一建议，并与基尔霍夫合作。他们发现每种元素在被灼烧时不仅能改变火焰颜色，还能发出独特的光谱，如同每个人都有专属自己的指纹，到了这一步，似乎还没有暗线什么事儿。

1860年，基尔霍夫做了一个与本生相反的实验，他没有去加热元素，而是让一束光穿过元素的稀薄蒸汽，结果他惊讶地发现，在光谱中出现了暗线。一种元素能发射什么样的光，它也就能吸收什么样的光，两者相互对应。由于亮线源于光的发射，所以得到的谱线叫做发射光谱，暗线源于光的吸收，相应的光谱被称为吸收光谱。到这里，你可能就意识到了暗线的奥秘呼之欲出。没错，太阳光谱中的那成百上千条的暗线，正是太阳的吸收光谱。而且，由于吸收光谱与发射光谱是相互对应的，只要将阳光的暗线与已知元素的发射光谱相比较，就可以识别出太阳上的元素。通过基尔霍夫的方法，科学家们很快就在太阳光谱中认出了大量和地球上相同的元素。他们甚至还在太阳光谱中发现了一种没有报道过的新元素，那就是氦。这个词在希腊语中就是太阳的意思，不过很快人们就在地球上发现了氦元素，证明了它并不是太阳独有的。知道了太阳的元素种类后，科学家们的胃口也大了起来，他们还想知道这些元素各自有多少，也就是所谓的元素丰度。当我们观测到一条谱线时，还会得到另一些信息，那就是谱线的强度。无论是吸收光谱还是发射光谱，它的强度都与产生谱线的元素丰度有关，丰度越大，谱线就越强，反之丰度越小，谱线则越弱。

经过几代人在光谱上的研究，最终确定了太阳其实是一个巨大的氢气球，在他的总质量中，氢占了71%，氦占了27%，其余所有元素加起来接近2%。就这样，孔德的悲观预言被打破。有天文学家曾说，即使我们真能跑到太阳上去拿回一小撮物质到实验室研究，也不会得到比光谱仪更精确的结果。在弗朗和费墓志铭上，人们刻下了一句话：“他使星星变得更近。”直到现在，光谱学仍然是天文物理的重要基础。这门科学的发展也让我们见识到了通往真理的路并不只有一条。很多时候，学者们要另辟蹊径，换一个角度也许别有洞天。

到了太阳的组成，我们就可以尝试解答一个更复杂的问题，太阳为什么会发光呢？或者用更学术一点的话说，恒星的能量产生机制是什么呢？排除掉是上帝点燃的太阳之类的神学答案，学者们试图从科学的角度探究太阳发光之谜，这个过程可谓一波三折。18世纪晚期，英国天文学家赫歇尔提出，太阳之所以发光，是因为它有一个炽热而发光的大气层，大气层的下面则是一个凉爽的固态表面。虽然太阳大气层理论在今天看来是错误的，但在提出之时，赫谢尔却有着自己的依据。作为英国皇家天文学会的首任会长，赫歇尔有着当时最先进的望远镜。经过多次观测，他注意到了太阳上的黑子，但赫歇尔却误以为那是透过太阳大气层中的空隙所看到的太阳表面，而且既然是黑色的，想必是温度很低。这些猜测在今天都被证明是错误的。太阳不仅没有固态的表面，黑子区域的温度也极高。赫歇尔观察到的现象是没有问题的，只不过他错误地解释了他的观察。此外，他的理论还有一个很大的问题，那就是无论多热的大气层，如果得不到能量的补充，都会很快冷却下来，这与太阳长时间稳定的发光是矛盾的。这也引出了太阳发光研究中的根本问题，那就是能量从哪儿来？

19世纪40年代，能量守恒的观念已初步形成，为了让太阳持续发光发热，我们需要找到极大的能量来源。德国物理学家迈耶提出了一种有点儿土气的假说。他认为太阳就是一个燃烧的大煤球，不过以现在太阳的尺寸，燃烧几千年就会消耗殆尽。所以迈耶改进了煤球说。他提出不断有陨星坠落到太阳上，这相当于给太阳补充燃料。显然这个理论也不靠谱，假如太阳遭受到那么多陨星的打击，地球也是在劫难逃。此外为了维持太阳的巨大能耗，坠落到太阳上的陨星数量必须极为庞大，甚至会使太阳的质量增加，影响行星的轨道，这与天文观测并不符合。因为这些原因，煤球说也被人们所淘汰。那么我们去哪儿找到点亮太阳的能源呢？20世纪刚开头，物理学家们开始送出助攻，一方面是爱因斯坦提出了著名的质能方程。就是能量等于质量乘以光速的平方，这说明了即使很小的质量中也蕴藏着巨大的能量。另一方面，人们弄明白了原子的组成，原子是由原子核和电子组成，原子核中有带正电的质子和不带电的中子，原子的绝大部分质量都来自原子核。而且物理学家卢瑟福证明了可以用人工手段将一种原子核变成另一种原子核。这一个个科学突破落到英国天文学家爱丁顿的大脑里，它很快就提出了一个关于太阳能源的大胆构想，既然原子核可以彼此转变，而且质量可以转变为能量，那在两个氢原子核聚合成为一个氦原子核的过程中，丢失的质量就可以转变为巨大的能量。

这个过程就是核聚变反应，氢弹爆炸也是同样的原理。爱丁顿如同一位侦探，将手头的线索相互串联构建起了这套新颖的理论。经过他的估算，核聚变产生的能量足以支撑太阳燃烧100亿年。不过这一时期物理学界对原子核这一尺度上的理论解释还不完善，爱丁顿也只能给出核聚变的大概轮廓，但这个过程是如何发生的，具体运行机制如何，他却说不出个所以然来。好在量子力学的快速发展，世界各地的物理学家们提出了一个又一个新理论，让人们能够理解微观世界的运行规律。比如俄国物理学家伽莫夫用量子隧道效应解释了质子怎么脱离原子核，意大利物理学家费米和日本物理学家汤川秀树又分别提出了各自的理论来描述原子核中粒子如何相互作用。一时间相关领域的理论研究百花齐放。如果说核聚变如同一个拼图，那这些学者的理论就如同一块又一块的碎片，万事俱备需要有人站出来将这些碎片拼装起来，提出更为完美的太阳能量模型。

这个人就是汉斯贝特。贝特对核物理有很深的造诣，他甚至作为重要研究人员参与了美国制造核弹的曼哈顿计划。也正是这位犹太物理学家揭示了恒星能量的产生机制。在贝特的理论中，太阳内部的核聚变是通过一种名为质子质子链的反应方式得以实现的。在这个反应中，四个氢原子核会相互碰撞生成氦，整个过程释放的能量效率是普通化学反应的百万倍以上。除质子、质子链外，贝特还提出了另一种恒星的核反应机制，称为碳氮氧循环。虽然也是氢原子核聚变为氦，但这中间要借由碳、氮、氧等元素的参与来完成整个反应。根据计算，在太阳内部，每秒钟有六亿吨氢在发生着这两种核聚变过程，从而点燃了太阳，并让它能持续燃烧百亿年。因为这些研究，贝特成为了1967年诺贝尔物理学奖的唯一得主。

从思考太阳的位置，到分析太阳的成分，再到揭示太阳的能量来源，从早期只能靠肉眼观察天体轨迹，到后来先进仪器捕捉深层信息，从古希腊时期的几何学到现如今的相对论与量子力学。我们对太阳乃至整个宇宙的了解都越来越多，这些研究过程集中体现了人类科学理论的迭代与科学技术的进步。根据估算，太阳的年龄大概是46亿岁，而向太阳之类的恒星理论寿命是110年，所以咱们的太阳已经步入了中年，太阳的未来会如何？亿万年后的人类又该怎样面对太阳的老去？这些问题都需要我们继续探索。希望那个时候，人类已经移民到了宇宙深处，找到了一个又一个属于人类文明的新太阳。

至此，《上下百亿年》这本书就解读完了，感谢大家的阅读！

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